CN108490440A - 基于多普勒谱偏移量校正的目标位置定位方法 - Google Patents

基于多普勒谱偏移量校正的目标位置定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多普勒谱偏移量校正的目标位置定位方法，属于信号处理技术领域，适用于SAR图像中运动目标的精确定位，其主要思路为：获取SAR图像，所述SAR图像中包括静止目标和运动舰船目标，然后得到静止目标的多普勒谱；从SAR图像得到运动舰船目标的多普勒谱；根据静止目标的多普勒谱和运动舰船目标的多普勒谱，得到舰船运动目标和静止目标的多普勒谱偏移量△fd和舰船运动目标在SAR图像方位向上的像素偏移量△pixel；根据舰船运动目标和静止目标的多普勒谱偏移量△fd和舰船运动目标在SAR图像方位向上的像素偏移量△pixel，在SAR图像中将运动舰船目标沿方位向进行平移，进而完成舰船运动目标的位置校正。

Description

基于多普勒谱偏移量校正的目标位置定位方法
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，特别涉及一种基于多普勒谱偏移量校正的目标位置定位方法，适用于SAR图像中运动目标的精确定位。
背景技术
星载SAR是从空间对地观测的一种有效手段，具有全天时、全天候、多波段及高分辨率的优点，可以详细、准确地测绘地形、地貌，获取地球表面的信息，最终生成目标场景的高分辨地图。
对于场景中的静止目标，由SAR图像经过地理编码生成卫星正射影像，目标的定位精度较高，可以满足军事目标打击等需求；但是对于场景中的运动目标，由于运动目标沿雷达视线方向存在分速度，导致运动目标的回波中引入了一个额外的多普勒频率。SAR图像的成像原理是距离向和方位向的两次匹配滤波，运动目标引入的额外多普勒频率会使得目标聚焦位置发生方位向的偏移，所以SAR图像中运动目标会明显偏移真实的位置，导致无法对运动目标进行有效进行定位。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种基于多普勒谱偏移量校正的目标位置定位方法，该种基于多普勒谱偏移量校正的目标位置定位方法利用运动目标多普勒谱和静止目标多普勒谱之间有明显的偏移量这一现象，通过估计运动目标和静止目标的谱偏移量来有效估计运动目标在方位向的偏移量，进而对目标位置进行修正和正确定位；要想对运动目标进行准确的定位，必须先对运动目标多普勒偏移量进行有效估计，然后根据运动目标方位向位置偏移量和多普勒偏移量的关系，计算运动目标在SAR图像中的方位向偏移量，进而对SAR图像中运动目标位置进行修正，在此基础上完成SAR图像运动目标的有效定位。
星载SAR下传的雷达回波数据经过成像算法处理可以得到SAR图像。根据SAR图像成像算法的特性，对于SAR图像中的静止目标，成像位置为静止目标的真实位置；但是对于运动目标，由于运动目标沿雷达视线方向速度分量引入了额外的多普勒频率，运动目标成像位置相对于真实位置会有一定的偏移，所以SAR图像中的运动目标位置需要经过校正才能得到真实的位置。
运动目标的位置校正需要估计运动目标的多普勒偏移量才能完成，本发明提供一种有效的方法对SAR图像中的运动目标多普勒偏移量进行估计，然后利用估计的运动目标多普勒偏移量对SAR图像中的运动目标位置进行修正。在SAR图像中静止目标和运动目标的位置都正确的基础上，才能完成SAR成像场景中所有目标的准确定位。
SAR图像中静止目标和运动目标只有在准确定位的基础上，才能为目标识别、目标精确打击等军事行动提供保障。
为达到上述技术目的，本发明采用如下该方法技术方案予以实现。
一种基于多普勒谱偏移量校正的目标位置定位方法，包括以下步骤：
步骤1，获取SAR图像，所述SAR图像中包括静止目标和运动舰船目标，然后得到静止目标的多普勒谱；
步骤2，从SAR图像得到运动舰船目标的多普勒谱；
步骤3，根据静止目标的多普勒谱和运动舰船目标的多普勒谱，得到舰船运动目标和静止目标的多普勒谱偏移量△fd和舰船运动目标在SAR图像方位向上的像素偏移量△pixel；
步骤4，根据舰船运动目标和静止目标的多普勒谱偏移量△fd和舰船运动目标在SAR图像方位向上的像素偏移量△pixel，在SAR图像中将运动舰船目标沿方位向进行平移，进而完成舰船运动目标的位置校正。
本发明的有益效果：本发明能够有效地提高舰船运动目标的定位精度，相比于根据舰船运动目标尾迹来校正方位向偏移量的方法，本发明提供的方法在舰船运动目标尾迹不明显，甚至看不到舰船运动目标尾迹的SAR图像中，同样能够进行舰船运动目标方位向的校正。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的一种基于多普勒谱偏移量校正的目标位置定位方法流程图；
图2为包括运动点目标和静止点目标的仿真SAR图像示意图；
图3为仿真实验中静止点目标和运动点目标的多普勒谱示意图；
图4为实际SAR图像处理流程示意图；
图5(a)为校正前的实际SAR图像示意图；
图5(b)为校正后的实际SAR图像示意图；
图6为舰船运动目标处理结果的局部示意图。
具体实施方式
参照图1，为本发明的一种基于多普勒谱偏移量校正的目标位置定位方法流程图；其中所述基于多普勒谱偏移量校正的目标位置定位方法，包括以下步骤：
步骤1，确定合成孔径雷达SAR，合成孔径雷达SAR的检测范围内存在静止目标和运动舰船目标，合成孔径雷达SAR发射电磁波并接收电磁波回波，然后对接收的电磁波回波进行二维匹配滤波后得到高分辨图像，记为SAR图像，所述SAR图像中包括静止目标和运动舰船目标。
所述SAR图像是M×N的矩阵，M表示SAR图像的方位向包括的行数，N表示SAR图像的距离向包括的列数，M、N分别为大于1的正整数。
从SAR图像中取出一个包括静止目标山区的小图像块，记为静止目标图像块矩阵A，A是一个大小为m×n的矩阵，静止目标图像块矩阵A的水平方向为距离向，垂直方向为方位向，m<M，n<N。
对静止目标图像块矩阵A沿着方位向做傅里叶变换，得到傅里叶变换后的静止目标图像块矩阵B，B仍是一个大小为m×n的矩阵，傅里叶变换后的静止目标图像块矩阵B的水平方向仍为距离向，垂直方向仍为方位向。
对傅里叶变换后的静止目标图像块矩阵B沿着距离向进行非相干累加，得到静止目标一维向量C,C是一个大小为m×1的向量，将所述静止目标一维向量C记为静止目标的多普勒谱；对于山区、平原、城区建筑等静止目标，操作方法一样。
步骤2，从SAR图像中取出一个包括运动舰船目标的小图像块，记为运动舰船目标图像块矩阵a，a是一个大小为m×n的矩阵，运动舰船目标图像块矩阵a的水平方向为距离向，垂直方向为方位向。
对运动舰船目标图像块矩阵a沿着方位向做傅里叶变换，得到傅里叶变换后的运动舰船目标图像块矩阵b，b仍是一个大小为m×n的矩阵，傅里叶变换后的运动舰船目标图像块矩阵b的水平方向仍为距离向，垂直方向仍为方位向。
对傅里叶变换后的运动舰船目标图像块矩阵b沿着距离向进行非相干累加，得到舰船运动目标一维向量c,c是一个大小为m×1的向量，将所述舰船运动目标一维向量c记为舰船运动目标的多普勒谱。
步骤3，将静止目标一维向量C和舰船运动目标一维向量c的幅度分别归一化并取dB，后，分别得到静止目标归一化向量C'和舰船运动目标归一化向量c'；静止目标归一化向量C'和舰船运动目标归一化向量c'均为m×1维向量，且其列号都为1,2,3,...,m，静止目标归一化向量C'和舰船运动目标归一化向量c'的元素值分别为[C'1,C'2,...,C'm',...,C'm]和[c'1,c'2,...,c'm',...,c'm]；m'＝1,2,…,m，C'm'表示静止目标归一化向量C'中列号m'的元素值，c'm'表示舰船运动目标归一化向量c'中列号m'的元素值。
以静止目标归一化向量C'和舰船运动目标归一化向量c'的列号为横坐标、以静止目标归一化向量C'和舰船运动目标归一化向量c'的元素值为纵坐标分别绘制多普勒谱曲线，分别得到静止目标曲线L和舰船运动目标曲线l，所述静止目标曲线L和舰船运动目标曲线l分别C'为开口向下的抛物线形状。
找到静止目标曲线L和舰船运动目标曲线l的纵坐标都为-5dB时静止目标曲线L和舰船运动目标曲线l对应的横坐标；由于静止目标曲线L和舰船运动目标曲线l都为开口向下的抛物线形状，所以静止目标曲线L和舰船运动目标曲线l上纵坐标为-5dB的点分别有两个，对应的横坐标也分别有两个。
将静止目标曲线L对应的两个横坐标记为(LEFT，RIGHT)，将舰船运动目标曲线l对应的两个横坐标为(left，right)；其中，LEFT表示静止目标曲线L对应的第1个横坐标，RIGHT表示静止目标曲线L对应的第2个横坐标，left表示舰船运动目标曲线l对应的第1个横坐标，right表示舰船运动目标曲线l对应的第2个横坐标。
对静止目标曲线L对应的两个横坐标求平均值，得到静止目标平均值M；对舰船运动目标曲线l对应的两个横坐标求平均值，得到舰船运动目标平均值m。
将静止目标平均值M和舰船运动目标平均值m的差，记为舰船运动目标和静止目标的多普勒谱偏移量△fd。
根据SAR成像算法的原理，可以得出运动目标方位向偏移量和运动目标多普勒偏移量的关系如下：
其中，△x表示舰船运动目标沿方位向的偏移量，单位为米；vs表示合成孔径雷达SAR发射的电磁波在地面上的扫描速度，本实施例中vs与SAR卫星的速度取值相等，所述SAR卫星是配置合成孔径雷达SAR的卫星，具有对地观测的能力；kd表示普勒调频率，kd＝2Vr 2fc/cR0，Vr表示合成孔径雷达SAR的速度，fc表示合成孔径雷达SAR发射的电磁波载频，c表示光速，大小为3×108m/s；R0表示SAR图像中舰船运动目标的最近斜距，△fd表示舰船运动目标和静止目标的多普勒谱偏移量。
式(1)得出了舰船运动目标沿方位向的偏移量，其单位为米；要求出舰船运动目标在SAR图像方位向上的像素偏移量△pixel，需要将舰船运动目标沿方位向的偏移量△x除以SAR图像的方位向分辨率ra，即△pixel＝△x/ra。
步骤4，将舰船运动目标在SAR图像中沿方位向平移△pixel个像素数，完成舰船运动目标在SAR图像中的位置校正；在此基础上，就可以对SAR图像中的舰船运动目标进行精确定位，其过程为：
记SAR图像垂直方向为方位向，水平方向为距离向，则SAR图像垂直向下的方向为方位正向，SAR图像垂直向上的方向为方位负向。
如果△fd<0，则多普勒频率降低，表示舰船运动目标远离合成孔径雷达SAR；且如果△pixel<0，表明在SAR图像中舰船运动目标相对于其真实位置向方位负向偏移了|△pixel|个像素，需要将舰船运动目标向方位正向平移|△pixel|个像素以完成校正。
如果△fd>0，则多普勒频率升高，表示舰船运动目标靠近合成孔径雷达SAR；且如果△pixel>0，在SAR图像中舰船动目标相对于其真实位置向方位正向偏移了|△pixel|个像素，需要将舰船运动目标向方位负向平移|△pixel|个像素以完成校正。
通过以下仿真实验对本发明效果进行进一步验证说明。
1、仿真实验SAR图像：
以机载SAR系统为例，在同一个场景中仿真一个静止点目标S和一个运动点目标S'，S和S'放置在场景中的同一位置，区别在于运动目标S'存在沿距离向的速度；其仿真实验SAR图像如图2所示。
图2中S和S'是放置在场景中的同一位置，静止点目标S和运动点目标S'出现了相对移动的现象；从图2中选出一块包含静止点目标S的小图像块，按照具体过程中的处理方法得到静止点目标S的多普勒谱；从图2中选出另一块包含运动点目标S'的小图像块，同理得到运动点目标S'的多普勒谱；将这两个多普勒谱绘制出来，可以明显看出两者之间发生了偏移。
2、机载SAR仿真参数如表1所示：
表1
参数 数值 单位
场景中心斜距 14.14 km
脉冲宽度 1 μs
距离向信号带宽 100 MHz
距离向采样率 120 MHz
速度 250 m/s
载频 2 GHz
方位向信号带宽 250 Hz
脉冲重复频率 300 Hz
用以上参数以及具体过程中提出的多普勒谱得到的方法，可以绘制出静止点目标S和运动点目标S'的距离多普勒谱如图3所示。
从图3可以看出静止点目标S和运动点目标S'的多普勒谱有些明显的差异，按照具体过程提出的方法估计运动点目标S'的方位向偏移量。
3、实际数据处理结果：
参照图4，为实际SAR图像处理流程示意图；从SAR图像中选择舰船运动目标和静止目标，对它们进行方位向傅里叶变化和距离向的非相干累加，得到它们的多普勒谱。遍历舰船运动目标的多普勒谱曲线，找到曲线值为-5dB时对应的两个频率点，记为L1和R1,求L1、R1的平均值M1；找到静止目标的多普勒谱曲线，找到曲线值为-5dB时对应的两个频率点，记为L2和R2,求L2、R2的平均值M2。△fd＝M1-M2，结合公式(1)可以计算出舰船运动目标在方位向上的偏移量，再根据SAR图像的方位向分辨率信息，可以求出运动舰船目标在方位向上偏移的像素数，在此基础上完成舰船运动目标方位向上的校正；校正结果如图5(a)和图5(b)所示，其中图5(a)为校正前的实际SAR图像示意图，图5(b)为校正后的实际SAR图像示意图。
图5(a)中的舰船运动目标和舰船后面的尾迹是分离的，说明舰船运动目标在方位向向下平移了一定的距离，经过本发明提供的方法进行处理，舰船目标的位置被校正，舰船运动目标处于尾迹的正前方，如图5(b)所示。
完成舰船运动目标方位向的校正之后，即可对舰船目标进行正确的定位，校正前后定位误差结果如图6所示，图6为舰船运动目标处理结果的局部示意图，得到的舰船运动目标校正前后的位置误差如表2所示。
舰船编号 校正前位置误差 校正后位置误差
1 13.9841 3.9097
2 19.1976 6.0486
3 17.3718 6.7793
4 21.5290 10.0331
5 14.0079 9.9131
从表2可以看出来，经过方位向位置的校正之后，舰船运动目标的定位精度有了明显的改善，证明了本发明方法的有效性。
综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种基于多普勒谱偏移量校正的目标位置定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取SAR图像，所述SAR图像中包括静止目标和运动舰船目标，然后得到静止目标的多普勒谱；
步骤2，从SAR图像得到运动舰船目标的多普勒谱；
步骤3，根据静止目标的多普勒谱和运动舰船目标的多普勒谱，得到舰船运动目标和静止目标的多普勒谱偏移量△fd和舰船运动目标在SAR图像方位向上的像素偏移量△pixel；
步骤4，根据舰船运动目标和静止目标的多普勒谱偏移量△fd和舰船运动目标在SAR图像方位向上的像素偏移量△pixel，在SAR图像中将运动舰船目标沿方位向进行平移，进而完成舰船运动目标的位置校正。
2.如权利要求1所述的一种基于多普勒谱偏移量校正的目标位置定位方法，其特征在于，在步骤1中，所述SAR图像是M×N的矩阵，M表示SAR图像的方位向包括的行数，N表示SAR图像的距离向包括的列数，M、N分别为大于1的正整数；
所述静止目标的多普勒谱，其得到过程为：
从SAR图像中取出一个包括静止目标的小图像块，记为静止目标图像块矩阵A，A是一个大小为m×n的矩阵，静止目标图像块矩阵A的水平方向为距离向，垂直方向为方位向，m<M，n<N；
对静止目标图像块矩阵A沿着方位向做傅里叶变换，得到傅里叶变换后的静止目标图像块矩阵B，B是一个大小为m×n的矩阵，傅里叶变换后的静止目标图像块矩阵B的水平方向为距离向，垂直方向为方位向；
对傅里叶变换后的静止目标图像块矩阵B沿着距离向进行非相干累加，得到静止目标一维向量C,C是一个大小为m×1的向量，将所述静止目标一维向量C记为静止目标的多普勒谱。
3.如权利要求1所述的一种基于多普勒谱偏移量校正的目标位置定位方法，其特征在于，在步骤2中，所述运动舰船目标的多普勒谱，其得到过程为：
从SAR图像中取出一个包括运动舰船目标的小图像块，记为运动舰船目标图像块矩阵a，a是一个大小为m×n的矩阵，运动舰船目标图像块矩阵a的水平方向为距离向，垂直方向为方位向；
对运动舰船目标图像块矩阵a沿着方位向做傅里叶变换，得到傅里叶变换后的运动舰船目标图像块矩阵b，b仍是一个大小为m×n的矩阵，傅里叶变换后的运动舰船目标图像块矩阵b的水平方向为距离向，垂直方向为方位向；
对傅里叶变换后的运动舰船目标图像块矩阵b沿着距离向进行非相干累加，得到舰船运动目标一维向量c,c是一个大小为m×1的向量，将所述舰船运动目标一维向量c记为舰船运动目标的多普勒谱。
4.如权利要求1所述的一种基于多普勒谱偏移量校正的目标位置定位方法，其特征在于，步骤3的子步骤为：
3.1将静止目标一维向量C和舰船运动目标一维向量c的幅度分别归一化并取dB，后，分别得到静止目标归一化向量C'和舰船运动目标归一化向量c'；静止目标归一化向量C'和舰船运动目标归一化向量c'均为m×1维向量，且其列号都为1,2,3,...,m，静止目标归一化向量C'和舰船运动目标归一化向量c'的元素值分别为[C'1,C'2,...,C'm',...,C'm]和
[c'1,c'2,...,c'm',...,c'm]；m'＝1,2,…,m，C'm'表示静止目标归一化向量C'中列号m'的元素值，c'm'表示舰船运动目标归一化向量c'中列号m'的元素值；
以静止目标归一化向量C'和舰船运动目标归一化向量c'的列号为横坐标、以静止目标归一化向量C'和舰船运动目标归一化向量c'的元素值为纵坐标分别绘制多普勒谱曲线，分别得到静止目标曲线L和舰船运动目标曲线l，所述静止目标曲线L和舰船运动目标曲线l分别C'为开口向下的抛物线形状；
3.2找到静止目标曲线L和舰船运动目标曲线l的纵坐标都为-5dB时静止目标曲线L和舰船运动目标曲线l对应的横坐标；由于静止目标曲线L和舰船运动目标曲线l都为开口向下的抛物线形状，所以静止目标曲线L和舰船运动目标曲线l上纵坐标为-5dB的点分别有两个，对应的横坐标也分别有两个；
将静止目标曲线L对应的两个横坐标记为(LEFT，RIGHT)，将舰船运动目标曲线l对应的两个横坐标为(left，right)；其中，LEFT表示静止目标曲线L对应的第1个横坐标，RIGHT表示静止目标曲线L对应的第2个横坐标，left表示舰船运动目标曲线l对应的第1个横坐标，right表示舰船运动目标曲线l对应的第2个横坐标；
对静止目标曲线L对应的两个横坐标求平均值，得到静止目标平均值M；对舰船运动目标曲线l对应的两个横坐标求平均值，得到舰船运动目标平均值m；
3.3将静止目标平均值M和舰船运动目标平均值m的差，记为舰船运动目标和静止目标的多普勒谱偏移量△fd，进而得出运动目标方位向偏移量和运动目标多普勒偏移量的关系如下：
其中，△x表示舰船运动目标沿方位向的偏移量，单位为米；vs表示合成孔径雷达SAR发射的电磁波在地面上的扫描速度，kd表示普勒调频率，kd＝2Vr 2fc/cR0，Vr表示合成孔径雷达SAR的速度，fc表示合成孔径雷达SAR发射的电磁波载频，c表示光速，大小为3×108m/s；R0表示SAR图像中舰船运动目标的最近斜距，△fd表示舰船运动目标和静止目标的多普勒谱偏移量；
然后得到舰船运动目标在SAR图像方位向上的像素偏移量△pixel，△pixel＝△x/ra，ra表示SAR图像的方位向分辨率。
5.如权利要求1所述的一种基于多普勒谱偏移量校正的目标位置定位方法，其特征在于，在步骤4中，所述在SAR图像中将运动舰船目标沿方位向进行平移，其过程为：
记SAR图像垂直方向为方位向，水平方向为距离向，则SAR图像垂直向下的方向为方位正向，SAR图像垂直向上的方向为方位负向；
如果△fd<0，则多普勒频率降低，表示舰船运动目标远离合成孔径雷达SAR；且如果△pixel<0，表明在SAR图像中舰船运动目标相对于其真实位置向方位负向偏移了|△pixel|个像素，需要将舰船运动目标向方位正向平移|△pixel|个像素以完成校正；
如果△fd>0，则多普勒频率升高，表示舰船运动目标靠近合成孔径雷达SAR；且如果△pixel>0，在SAR图像中舰船动目标相对于其真实位置向方位正向偏移了|△pixel|个像素，需要将舰船运动目标向方位负向平移|△pixel|个像素以完成校正。
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